CN1314217C - 用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法，属于移动通信技术领域。首先读入信息比特，进行编码、调制和数据存储；根据输出信道参数，对存储数据进行符号重组，再对其进行OFDM调制并发送。接收数据时，进行OFDM解调，并根据系统的输出信道参数，对接收数据信号进行自适应解交织，得到还原后的数据符号；然后进行数据的软解调和数据合并及译码，得到信息比特流。本发明方法，充分利用发送端在同一时间内所获得的瞬时信道状态信息，以获得更多交织增益与频率分集增益。在接收端对各次传输的数据进行Chase合并从而增加译码可靠性，使系统在快衰落无线信道中的传输性能优化，减少了误码率和传输时延。

Description

用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法

技术领域

本发明涉及一种用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

近年来随着高数据率可靠业务需求的迅速发展，混合自动重传请求(以下简称混合ARQ)协议成为Beyond 3G移动通信系统的关键技术之一。混合ARQ协议有效地结合前向纠错码(以下简称FEC)技术和ARQ协议，因此它不仅比FEC更加可靠，而且能够获得相对ARQ而言更高的通过率。混合ARQ技术具有以上的优势，因此被广泛应用于非实时数据业务中。

混合ARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，可自动适应瞬时信道条件，且对延迟和误差不敏感。其主要分为以下三种：Type-I混合ARQ，Type-II混合ARQ和Type-III混合ARQ。当前3GPP(R99)规范中采用Type-I混合ARQ，在接收端错误数据将被丢弃故每次重传被正确解码的概率相同且比较低。Type-II混合ARQ属于增量冗余型ARQ，每次重传的数据块不是首次所传数据的复制，而是增加的冗余信息。在接收端进行数据合并因此编码速率降低从而提高编码增益。Type-III混合ARQ也属于增量冗余ARQ，但与Type-II混合ARQ不同的是重传码字具有自解码能力。这类混合ARQ又可进一步分为Chase合并混合ARQ和具有多个冗余版本的Type-III混合ARQ。而本发明是基于Chase合并Type-III混合ARQ。该方法所需的接收端缓存较小，信令相对简单，是一种复杂度较低受欢迎的码合并方式。

另一方面，正交频分复用(以下简称OFDM)是一种非常有前景的技术，它可以有效抑制符号间干扰，因此可以被有效应用于宽带通信系统中。在以前的Chase合并Type-III混合ARQ中每次重传时发送端均采取同样的符号发送顺序，因此只能获得一定的时间分集增益却无法获得更多的频率分集增益。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于OFDM系统的数据自适应混合自动重传方法，构造了OFDM系统中基于自适应混合ARQ的符号发送和接收合并，并设计优化的重传符号发送顺序，接收过程中根据信道性能合并软解调输出值以增加译码可靠性。

本发明提出的用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法，包括如下步骤：

(1)从用户数据源中读入信息比特，进行循环冗余校验编码；

(2)对上述编码后的数据进行信道编码和调制，形成K个调制符号，根据接收端的重传指示信息进行数据存储；

(3)根据系统中t-1时刻的输出信道参数，对上述存储数据进行符号重组；

(4)对上述重组符合进行反傅立叶变换，得到存储数据的时域信号，对其加上循环前缀后发送；

(5)接收上述数据，去除其中的循环前缀，并进行傅立叶变换，得到频域上的接收数据符号；

(6)根据系统的t-1时刻输出信道参数，对上述接收数据信号进行与发送端的符号重组相对应的自适应解交织，得到还原后的数据符号；

(7)根据系统t时刻的信道参数，计算上述还原数据符号的对数似然值；

(8)判断是否已存储数据的对数似然信息，若有，则将上述对数似然值与已有的存储数据的对数似然值进行合并，若没有，则存储上述对数似然值；

(9)对上述合并的对数似然值进行信道译码，得到信息比特流；

(10)对上述信息比特流进行循环冗余校验译码，若译码正确或达到最大重传次数，则向发送端发出不重传指示，并输出信息比特流；若译码错误，则向发送端发出重传指示。

上述方法中所述的数据存储的方法为：判定接收端返回的重传指示信息，若为不重传信息，则对已有的存储数据进行清零并读入且存储新数据，若为重传信息，则不更新数据，并对原有数据进行重传。

上述方法中的对存储数据进行符号重组的方法，包括以下步骤：

(1)对系统前一个正交频分复用符号周期输出的各子载波上的信道状态信息估计值，按幅值进行由小到大的升序排列，得到重新排列的各子载波序列号；

(2)根据上述各子载波序列号，将存储数据置入4×(K/4)矩阵中，并按列读取，得到重组符号，其中K为调制符号数。

上述方法中对存储数据的对数似然值进行合并的方法为：判断系统返回的重传指示信息，若为不重传信息，则对已有的合并对数似然值清零，准备读入新的对数似然信息；若为重传信息，则准备接收新的对数似然值，并根据系统传输信道的接收信噪比，对所接收的对数似然值进行加权。

本发明提出的用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法，充分利用发送端在同一时间内所获得的瞬时信道状态信息，以获得更多交织增益与频率分集增益。在接收端对各次传输的数据进行Chase合并进而增加译码可靠性。通过采用这种自适应的混合ARQ方法，系统在快衰落无线信道中的传输性能优化，有效地提高了系统的通过率，减少了误码率和传输时延。

附图说明

图1是本发明方法的系统框图。

图2是本发明方法中数据合并原理图。

图3是本发明中自适应混合ARQ运作时的系统工作状态转移图，表示系统处于传输新数据状态还是数据重传状态以及状态发生转移的条件。

图4本发明的一个实施例中所采用的典型信道模型的各径功率和相对时延。

图5本发明一个实施例所采用的典型信道模型的频域传递函数。

图6本发明方法中具体的数据包重传过程发生时的信道频域响应的变化示意图。

图7是由图4的信道变化所导致的数据重组顺序的变化示意图。

具体实施方式

本发明提出的用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法，首先从用户数据源中读入信息比特，进行循环冗余校验编码；对上述编码后的数据进行信道编码和调制，形成K个调制符号，根据接收端的重传指示信息进行数据存储；根据系统中t-1时刻的输出信道参数，对上述存储数据进行符号重组；对上述重组符合进行反傅立叶变换，得到存储数据的时域信号，对其加上循环前缀后发送；接收上述数据，去除其中的循环前缀，并进行傅立叶变换，得到频域上的接收数据符号；根据系统的t-1时刻输出信道参数，对上述接收数据信号进行与发送端的符号重组相对应的自适应解交织，得到还原后的数据符号；根据系统t时刻的信道参数，计算上述还原数据符号的对数似然值；判断是否已存储数据的对数似然信息，若有，则将上述对数似然值与已有的存储数据的对数似然值进行合并，若没有，则存储上述对数似然值；对上述合并的对数似然值进行信道译码，得到信息比特流；对上述信息比特流进行循环冗余校验译码，若译码正确或达到最大重传次数，则向发送端发出不重传指示，并输出信息比特流；若译码错误，则向发送端发出重传指示。

上述方法中所述的数据存储的方法为：判定接收端返回的重传指示信息，若为不重传信息，则对已有的存储数据进行清零并读入且存储新数据，若为重传信息，则不更新数据，并对原有数据进行重传。

上述方法中的对存储数据进行符号重组的方法，包括以下步骤：

(1)对系统前一个正交频分复用符号周期输出的各子载波上的信道状态信息估计值，按幅值进行由小到大的升序排列，得到重新排列的各子载波序列号；

(2)根据上述各子载波序列号，将存储数据置入4×(K/4)矩阵中，并按列读取，得到重组符号，其中K为调制符号数。

上述方法中对存储数据的对数似然值进行合并的方法为：判断系统返回的重传指示信息，若为不重传信息，则对已有的合并对数似然值清零，准备读入新的对数似然信息；若为重传信息，则准备接收新的对数似然值，并根据系统传输信道的接收信噪比，对所接收的对数似然值进行加权。

本发明方法的系统框图如图1所示，假设有效子载波为K，循环冗余校验(以下简称CRC)编码后的输出校验位数目为n，信道编码码率和拖尾比特数目分别为R和m，调制阶数为M，则每次传输的数据包中包括的信息比特数为L＝Klog₂M/R-m-n。每次从数据源读入L长的信息比特，然后进行CRC编码、信道编码和调制形成K个调制符号。而数据存储时是否读入新的数据是由反馈信道传回的重传指示信息来决定的。当反馈信道返回不重传信息时，表示接收端译码结果正确，从而更新并存储新读入数据；反之，当反馈信息返回重传信息时则表明信道译码出现错误因此并不刷新存储数据而保持并重传原有数据。

接下来，存储数据进行符号重组。它利用系统进行信道估计所输出的信道状态信息重新组织重传OFDM符号的顺序，其具体规则如下：

(1)发送端获得的对于t-1时刻(前一个OFDM符号周期)所有子载波上的信道状态信息估计值可表示如下：H＝[h₁h₂h₃…h_K]^T，其中T是转置符号，h_k是第k个子载波上的信道频率响应。

(2)按幅值大小对以上K个子载波上的信道参数进行升序排列得到：|h_N1|＜|h_N2|＜…＜|h_NK|，其中下标顺序为(N₁N₂N₃…N_K)。

(3)从存储数据中读出的一个OFDM符号内的K个调制符号为X＝[x₁X₂x₃…x_K]^T，根据(2)中得到的新的顺序重新排列该K个符号为X₁＝[x_N1x_N2x_N3…x_NK]^T，将该K个符号按“S”形置于如下的4×(K/4)矩阵中：

$\left[\begin{array}{cccc}{x}_{N_1}& x_{N_2}& \·\·\·& x_{N_{K/4}}\\ x_{N_{K/2}}& x_{N_{K/2-1}}& \·\·\·& x_{N_{K/4+1}}\\ x_{N_{K/2+1}}& x_{N_{K/2+2}}& \·\·\·& x_{N_{3K/4}}\\ x_{N_K}& x_{N_{K-1}}& \·\·\·& x_{N_{3K/4+1}}\end{array}\right]$

其中，矩阵中第一行和第三行数据为自左到右的顺序，而第二行和第四行数据按自右到左的顺序放置。

(4)从第1至第K/4列按列顺序读出K个数据符号即为符号重组后的输出值，其中下标顺序为：

          (N₁ N_k/2 N_k/2+1 N_k N₂ N_k/2-1…N_k/4 N_k/4+1 N_3k/4 N_3k/4+1)

因此经过符号重组后的数据符号顺序形成如下变换对：

                   {(1，N₁)，(2，N_k/2)，…，(K，N_3k/4+1)}

然后经过反傅立叶变换形成时域信号并加上循环前缀(CP)并发送。在经过多径时变信道后在接收端进行去除CP及傅立叶变换得到频域上的接收数据符号。

系统进行信道估计输出的信道参数用于进行自适应解交织从而还原顺序后的符号。为确保数据符号的无差错合并，应使得接收端的信道参数为t-1时刻的值。接下来，根据信道在t时刻(当前OFDM符号周期)的信道参数求得各子载波上的噪声方差并对顺序还原后的OFDM符号进行解调。为了提高译码性能与便于实现chase合并，在解调时要求得到各数据符号的对数似然信息。在相干接收时，QAM调制的解调输出X_k、Y_k可表示为：

                         X_k＝α_kA_k+I_k Y_k＝α_kB_k+Q_k

其中：α_k为瑞利衰落的Rayleigh随机变量，{A_k，B_k}为发射星座点对应的实数值，I_k，Q_k为具有零均值、方差为δ_n ²的非相干独立噪声，由{A_k，B_k}得到信源μ_k，i的似然值：

$\mathrm{\Λ}\left(u_{k,i}\right)=K\log \frac{P_r\{u_{k,i}=1|X_k,Y_k\}}{P_r\{u_{k,i}=0|X_k,Y_k\}},i=1\·\·\·n$

其中K为常数，由于要计算n个量Λ(μ_k，i)，将是一个依赖于信噪比与信道特征的复杂表示，必须进行简化，在只考虑平方M-QAM星座时，有M＝2ⁿ，在n＝2p的条件下高斯信道可简化为：

$\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\μ}}_{k,i}\right)=K\log \frac{\underset{l=1}{\overset{2^p-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \{-\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}_n^2}{(X_k-a_{1,l})}^2\}}{\underset{l=1}{\overset{2^p-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \{-\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}_n^2}{(X_k-a_{0,l})}^2\}},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,p$

其中，a_1，1和a_0，1表示符号A_k在μ_k，i＝1和μ_k，i＝0条件下的转换值。对于μ_k，i+p(i＝1，2，…，p)的似然值仅依靠Y_k，且表达式与上式相似：

$\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\μ}}_{k,i+p}\right)=K\log \frac{\underset{l=1}{\overset{2^p-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \{-\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}_n^2}{(X_k-b_{1,l})}^2\}}{\underset{l=1}{\overset{2^p-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \{-\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}_n^2}{(X_k-b_{0,l})}^2\}},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,p$ i＝1，2，…，p

其中a与b是星座图投影到X与Y轴上的值。

解调获得的符号对数似然信息与已有的对数似然信息进行Chase合并。数据合并采用最常用和简单的Chase合并方案(附图2)，该方案由D.Chase提出，它通过将每次重传数据解调后的软信息进行加权合并得到一种更有效的差错控制编码达到了信道误码率超过50％时还能可靠通信的目的。

附图2中信息包I进入编码后输出X并经过软解调输出各次对数似然信息为Yⁱ(i＝1，2，…，L)，L为符号传输次数，经过Chase合并后输出为：

                          I^＝w₁Y¹+w₂Y²+…+w_LY^L

其中w_i是各次传输的加权系数，通常取接收信噪比为加权系数。数据合并后得到的各信息比特的可靠对数似然合并值进行信道译码并判决输出比特流。为了正确进行数据合并，系统应告之重传指示信息。当为不重传指示时，应对已存储的合并符号似然信息进行清零并准备接收新的似然信息；反之，当接收到重传指示时，则保持已有的对数似然信息并准备接收新的似然信息并与之进行数据合并。

接下来，输出判决的比特流需要通过CRC译码来检验该译码结果是否正确。当CRC译码结果显示信道译码正确时返回不重传指示信息至发送端以及数据合并池；反之当CRC译码结果显示信道译码有误差则返回重传指示信息至发送端指示重传前次的数据包。

值得注意的是，为了保证一定的重传时延需要设置合理的最大重传次数。对于时延要求较高而允许误码的业务应设置相对较小的最大重传次数，而对于延时不敏感而误码要求严格的业务则应设置较大的重传次数。附图3中给出了最大传输次数为4时的混合ARQ重传状态转移图。

附图3中状态1为发送新的数据，而状态2、状态3和状态4则分别表示三次数据重传。状态转移图中的“a\p_i”意义如下：a表示经过某次状态时传回发送端的重传信息(“1”表示不重传，“0”表示重传)；p_i表示由状态i进入下一状态的概率。当混合ARQ系统到达到状态4时，无论此时接收端的CRC译码输出为1或0以概率p＝1返回不重传至发送端，当输出为1时输出比特信息至信宿而当输出为0时丢弃该数据包。

以下介绍本发明的一个实施例，以说明自适应混合ARQ方法是如何在OFDM系统中运作的。

假设信道带宽为10MHz，等分为1024个子载波，多径信道各径的时延及功率符合ITU-TM.1225的信道A模型，其信道冲激响应和频域传递函数由附图4和附图5给出。

附图6中的四幅图分别表示了在最大多普勒频移为300Hz，重传间隔为400us时各次重传时的信道频域响应的幅值。在快速移动通信系统中，信道的衰落特性变化非常快，从而保证了采用自适应混合ARQ方法时能带来系统的频率分集增益。

附图7表示了在收发两端均具有理想信道状态信息的前提下各次传输数据与所采用的子载波之间的关系。其中横坐标表示进行符号重组前的各数据符号编号(为了更清楚展示各次重组时的细节所以仅截取了1-30个符号)，纵坐标则表示四次传输时各选取的子载波序号。观察数据符号x₁，当第一传输时该符号被调制至第919个子载波上；当第二次传输时被重组至第721子载波上；而第三次和第四次被分别调至417和614子载波上。类似地对于数据符号x₂，如果发生四次传输，则分别选择第927、749、433和558子载波。通过对x₁和x₂的观察，可以看出所发明的基于信道状态信息的自适应混合ARQ方法使各次重传尽可能被调至相距较远的子载波上。即使在快衰落系统中，当OFDM子载波之间的间隔足够大，那么任何两个子载波之间的相关性将变得非常小从而有利于获得更多的频率分集增益；而快速移动的通信环境又使得各次重传时所有子载波所处的衰落特性具有明显的变化从而导致各次数据重组的排序的巨大差异。

Claims (4)

1、一种用于正交频分复用系统的数据自适应混合自动重传方法，包括如下步骤：

(1)从用户数据源中读入信息比特，进行循环冗余校验编码；

(2)对上述编码后的数据进行信道编码和调制，形成K个调制符号，根据接收端的重传指示信息进行数据存储；

(3)根据系统中t-1时刻的输出信道参数，对上述存储数据进行符号重组；

(4)对上述重组符号进行反傅立叶变换，得到存储数据的时域信号，对其加上循环前缀后发送；

(5)接收上述数据，去除其中的循环前缀，并进行傅立叶变换，得到频域上的接收数据符号；

(6)根据系统的t-1时刻输出信道参数，对上述接收数据信号进行与发送端的符号重组相对应的自适应解交织，得到还原后的数据符号；

(7)根据系统t时刻的信道参数，计算上述还原数据符号的对数似然值；

(8)判断是否已存储数据的对数似然信息，若有，则将上述对数似然值与已有的存储数据的对数似然值进行合并，若没有，则存储上述对数似然值；

(9)对上述合并的对数似然值进行信道译码，得到信息比特流；

(10)对上述信息比特流进行循环冗余校验译码，若译码正确或达到最大重传次数，则向发送端发出不重传指示，并输出信息比特流；若译码错误，则向发送端发出重传指示。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的数据存储的方法为：判定接收端返回的重传指示信息，若为不重传信息，则对已有的存储数据进行清零并读入且存储新数据，若为重传信息，则不更新数据，并对原有数据进行重传。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中的对存储数据进行符号重组的方法，包括以下步骤：

(1)对系统前一个正交频分复用符号周期输出的各子载波上的信道状态信息估计值，按幅值进行由小到大的升序排列，得到重新排列的各子载波序列号；

(2)根据上述各子载波序列号，将存储数据置入4×(K/4)矩阵中，并按列读取，得到重组符号，其中K为调制符号数。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中对存储数据的对数似然值进行合并的方法为：判断系统返回的重传指示信息，若为重传信息，则准备接收新的对数似然值，用系统传输信道的接收信噪比加权后，与已有的存储数据的对数似然值相加，得到新的合并后的对数似然值，作为新的已存数据，若为不重传信息，则对已有的合并对数似然值清零，准备接收新的对数似然信息。

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